RU2327631C2 - Способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электротехнологии, светотехнике, а также в преобразовательной технике при создании источников питания и систем управления озонаторов, газоразрядных ламп различных типов, электрических фильтров, систем обеззараживания и очистки воды, формовки слоев твердых материалов и пленок и других электрических нагрузок. Способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии, осуществляется биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой амплитудой, частотой и скважностью. Питание электрической нагрузки производится от источника питания с характеристикой источника тока. Биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазипрямоугольную форму с регулируемой амплитудой в диапазоне 0,1÷1,0 от максимального значения амплитуды. Частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются независимо, соответственно в диапазонах 0,9÷1,1 от номинального и 0,5÷1,0 от максимального значения регулируемой величины. Амплитуда, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются в функции технологического параметра по пропорциональному или пропорционально-интегральному закону. Технический результат: расширение области применения способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии. 3 ил.

Description

Изобретение относится относится к электротехнике и может быть использовано в электротехнологии, светотехнике, а также в преобразовательной технике при создании источников питания и систем управления озонаторов, газоразрядных ламп различных типов, электрических фильтров, систем обеззараживания и очистки воды, формовки слоев твердых материалов и пленок и других электрических нагрузок, содержащих разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом в газообразном состоянии униполярными импульсами тока периодической последовательности с задаваемой амплитудой, частотой и скважностью (авт.св. 941276 СССР, МКИ С01В 13/11. Способ озонирования воздуха. Лях А.А., Лях А.А. и др. - Заявл. 30.10.78, Опубл. 25.01.80. БИ №3).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, является узкая область применения, ограниченная установками электросинтеза озона из кислородсодержащего газа малой мощности и производительности, что обусловлено высокими энергозатратами, низким коэффициентом полезного действия и технической сложностью импульсного источника питания, отсутствием возможности регулирования электрического режима нагрузки, содержащей разрядный промежуток, в требуемых пределах.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащий разрядный промежуток, заполненный слоями веществ в газообразном и твердом состоянии биполярными импульсами тока периодической последовательности сетевой частоты с регулируемой амплитудой (Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - С.65).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, является узкая область применения, ограниченная установками электросинтеза озона в барьерном разряде из кислородсодержащего газа сравнительно малой мощности и производительности, что обусловлено высокими энергозатратами, низким коэффициентом полезного действия и коэффициентом мощности трансформаторного источника питания, несимметричной загрузкой фаз питающей сети, отсутствием возможности регулирования электрического режима нагрузки, содержащей разрядный промежуток, в требуемых пределах, нестабильностью электрического разряда и сложностью обеспечения заданной формы разряда, невозможностью применения способа при питании электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный смесью или слоями веществ в газообразном и жидком состоянии.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный слоем вещества в твердом состоянии и смесью веществ в газообразном и жидком состоянии униполярными импульсами тока периодической последовательности с задаваемой амплитудой, частотой и скважностью (патент РФ 2233244, МКИ С02F 1/46. Реактор для обработки жидкостей Шубин Б.Г., Шубин М.Б. - Заявл. 22.04.03, Опубл. 27.07.04. БИМП №46).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, является узкая область применения, ограниченная установками обработки воды в смеси с кислородсодержащим газом малой мощности и производительности, что обусловлено высокими энергозатратами, низким коэффициентом полезного действия и технической сложностью импульсного источника питания, отсутствием возможности регулирования электрического режима нагрузки, содержащей разрядный промежуток, в требуемых пределах.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный слоями веществ в газообразном и твердом состоянии биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой амплитудой и частотой, биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазипрямоугольную форму (авт.св. 1084244 СССР, МКИ С01В 13/11. Установка для производства озона. / Агафонов Ю.П., Васильев В.А., Маер Э.Ф. - Заявл. 14.05.82, Опубл. 07.04.84. БИ №13).

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, является узкая область применения, ограниченная установками электросинтеза озона в барьерном разряде из кислородсодержащего газа сравнительно малой мощности и производительности, что обусловлено высокими энергозатратами, низким коэффициентом полезного действия и коэффициентом мощности источника питания, отсутствием возможности регулирования электрического режима нагрузки, содержащей разрядный промежуток, в требуемых пределах.

Известен способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный слоями веществ в газообразном и твердом состоянии биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой частотой и скважностью, биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазисинусоидальную форму, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются обусловленно (Вигдорович В.Н., Исправников Ю.А., Нижаде-Гавгани Э.А. Проблемы озонопроизводства и озообработки и создание озоногенераторов второго поколения. - М., С.-Пб.: Изд-во Экоинформсистема, 1994. - С.63).

Данный способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный слоями веществ в газообразном и твердом состоянии, является наиболее близким к заявляемому и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, является узкая область применения, ограниченная установками электросинтеза озона в барьерном разряде из кислородсодержащего газа сравнительно малой мощности и производительности, что обусловлено высокими энергозатратами, низким коэффициентом полезного действия и коэффициентом мощности источника питания, отсутствием возможности регулирования электрического режима нагрузки, содержащей разрядный промежуток, в требуемых пределах, то есть узким диапазоном регулирования.

Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный, веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой частотой и скважностью, питание электрической нагрузки осуществляется от источника питания с характеристикой источника тока, биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазипрямоугольную форму с регулируемой амплитудой в диапазоне 0,1÷1,0 от максимального значения амплитуды, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются независимо, соответственно в диапазонах 0,9÷1,1 от номинального и 0,5÷1,0 от максимального значения регулируемой величины, амплитуда, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются в функции технологического параметра по пропорциональному или пропорционально-интегральному закону.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток. Это обеспечивается возможностями глубокого регулирования электрического режима нагрузки и возможностями сохранения оптимальных форм электрического разряда, стабильностью применяемых форм электрического разряда для различных используемых технологий. Способ питания электрической нагрузки может быть применен в источниках питания и системах управления озонаторов, газоразрядных ламп различных типов, электрических фильтров, систем обеззараживания и очистки воздуха, технических газов, газовых смесей, различных жидкостей и воды, в том числе использующих новые разработанные технологии с озонированием в смеси газа и жидкости и синтезом активных частиц и радикалов в слоях газа и жидкости, формовки слоев твердых материалов и пленок и других электрических нагрузок, содержащих разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Расширение области применения способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, порядком их осуществления, применением способа в новых разработанных технологических процессах, использующих электрический разряд, то есть отличительными признаками. Поэтому отличительные признаки заявляемого способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, являются существенными.

На фиг.1 приведена схема источника питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях, на фиг.2 представлены временные диаграммы сигналов в элементах схемы источника питания, поясняющие принцип формирования в нагрузке биполярных импульсов тока периодической последовательности, на фиг.3 изображена функциональная схема установки с электрической нагрузкой, содержащей разрядный промежуток, в которой реализуется заявляемый способ питания.

Способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии, реализуется следующими действиями. Питание электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, производится от источника питания с характеристикой источника тока. Питание осуществляется биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой амплитудой, частотой и скважностью. Биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазипрямоугольную форму с регулируемой амплитудой в диапазоне 0,1÷1,0 от максимального значения амплитуды, Частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются независимо, соответственно в диапазонах 0,9÷1,1 от номинального и 0,5÷1,0 от максимального значения регулируемой величины. Амплитуда, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются в функции технологического параметра по пропорциональному или пропорционально-интегральному закону.

Разработаны новые электротехнологии, использующие электрический разряд, например обработки жидкостей, в том числе воды, в потоке, путем воздействия излучения и химически активных веществ и радикалов, синтезируемых в тонких газовых слоях между обрабатываемой жидкостью и пористым или секционированным электродом, в смесях жидкости и газа, барьерного разряда в водо-воздушной смеси, электросинтеза озона в барьерном разряде, интенсифицированном вакуумным ультрафиолетовым излучением, генерирования ультрафиолетового излучения эксимерными или эксиплексными источниками и видимого излучения в новых типах высокоинтенсивных разрядных ламп, модифицирования пленочных материалов и другие. Указанные электротехнологии наиболее эффективно реализуются с использованием заявляемого способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный, веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии. Новые электротехнологии требуют точного регулирования электрических параметров в широких пределах и обеспечения стабильности и используемой формы электрического разряда. Указанное невозможно или неэффективно обеспечить применением известных способов питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток. Точное регулирование в достаточных по технологическим требованиям, диапазонах, с низкими энергозатратами, малыми искажениями питающей сети и высоким коэффициентом мощности, при обеспечении высокой стабильности и сохранении формы электрического разряда, в широкой области обеспечивается применением заявляемого способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток.

Источник питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, выполненный на основе инвертора тока на полностью управляемых вентилях, содержит (фиг.1) выпрямитель на полностью управляемых вентилях 1-6, входные выводы которого подключены к фазам А, В, С трехфазной сети переменного тока, а выходные выводы зашунтированы встречным нулевым диодом 7, и инвертор тока, выполненный по нулевой схеме с выходным трансформатором 8 со средней точкой, подключенной к положительному выходному выводу выпрямителя через дроссель фильтра 9, выводы первичной обмотки соединены с отрицательным выводом выпрямителя через полностью управляемые вентили 10, 11, средняя точка трансформатора соединена также с отрицательным выходным выводом выпрямителя через последовательную цепь, содержащую дополнительный управляемый вентиль 12 и конденсатор 13, дополнительный управляемый вентиль зашунтирован последовательной цепью, содержащей дроссель 14 и встречный диод 15. Выводы вторичной обмотки трансформатора соединены с выходными выводами инвертора тока, к которым подключена нагрузка 16, содержащая разрядный промежуток.

В качестве нагрузки 16 использован, например, генератор озона. Инвертор тока, выполненный на полностью управляемых вентилях 10, 11, не содержит коммутирующего конденсатора и имеет индуктивность дросселя фильтра, обеспечивающую сглаживание входного тока с коэффициентом пульсаций менее 1%. Инвертор тока с указанными параметрами имеет характеристику источника тока, что обеспечивает питание нагрузки 16 биполярными импульсами тока периодической последовательности квазипрямоугольной формы. Питание электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток от источника питания с характеристикой источника тока (биполярными импульсами тока периодической последовательности квазипрямоугольной формы) обеспечивает стабильность электрического разряда и возможность поддержания заданной формы электрического разряда, то есть фактическую осуществимость разрядной технологии, в том числе с заданными технологическими и энергетическими характеристиками.

Источник питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, работает следующим образом. Выпрямитель на полностью управляемых вентилях 1-6 преобразует переменное напряжение сети в знакопостоянное на выходе выпрямителя. Инвертор тока на полностью управляемых вентилях 10, 11 преобразует знакопостоянное выходное напряжение выпрямителя в переменный ток (биполярные импульсы тока периодической последовательности квазипрямоугольной формы) частоты f: f=1/T, где T - период выходного переменного тока инвертора тока. Выходной переменный ток инвертора тока трансформируется в нагрузку 16 трансформатором 8 со средней точкой. Регулирование электрического режима электрической нагрузки в функции технологического параметра (выход продукта, удельный расход электроэнергии, качество обработки материала и другие) по пропорциональному или пропорционально-интегральному закону осуществляется независимым регулированием выходной частоты f источника питания (инвертора тока), скважности биполярных импульсов тока периодической последовательности q: q=(t₃-t₂)/((t₃-t₂)+(t₂-t₁))=2(t₃-t₂)/T, где (t₃-t₂) - длительность биполярного импульса тока периодической последовательности, (t₂-t₁) - интервал паузы, и амплитуды биполярного импульса тока периодической последовательности (см. фиг.2). Подобное регулирование обеспечивает достаточную глубину и точность регулирования, что в свою очередь обеспечивает широкую область применения способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток.

Временные диаграммы сигналов в элементах схемы источника питания, поясняющие принцип формирования в нагрузке биполярных импульсов тока периодической последовательности (фиг.2), представлены для токов полностью управляемых вентилей 10, 11 инвертора тока (i₁₀, i₁₁), тока дополнительного полностью управляемого вентиля 12 (i₁₂), тока вторичной обмотки трансформатора (i₈). Стрелки на диаграмме i₈ показывают принцип модуляции выходной частоты источника, питания f, скважности q и амплитуды импульсов тока периодической последовательности квазипрямоугольной формы I: I(α)=I(α)sign(sin(2πt/Т)/2+I(α)sing(sin(2πt/T+φ)/2, где α - угол управления выпрямителя, π - число "пи", φ - фазовый угол сдвига, формирующих импульсных периодических последовательностей.

Регулирование скважности q биполярных импульсов тока периодической последовательности осуществляется регулированием интервалов открытого состояния (t₁-t₂, t₃-t₄) дополнительного управляемого вентиля 12. В указанных интервалах времени полностью управляемые вентили 10, 11 инвертора тока выключены. Ток дросселя фильтра, 6 замыкается через конденсатор 13. Нагрузка 16 на интервалах времени t₁-t₂, t₃-t₄ не потребляет электрической энергии. Рекуперация энергии, накопленной в конденсаторе 13 на интервалах времени t₁-t₂, t₃-t₄, в нагрузку 16 осуществляется через последовательную цепь, содержащую дроссель 14 и встречный диод 15.

Функциональная схема установки с электрической нагрузкой, содержащей разрядный промежуток, в которой реализуется заявляемый способ питания (фиг.3), содержит выпрямитель на полностью управляемых вентилях 17, регулирующий полностью управляемый вентиль 18, инвертор тока на полностью управляемых вентилях 19, электрическую нагрузку 20, датчик регулируемого технологического параметра (ρ) 21, три сумматора - 22-24, регулятор угла управления (α) 25, регулятор скважности (q) 26, регулятор выходной частоты (f) источника, питания 27.

Установка работает следующим образом. Питающая сеть имеет напряжение Uc. На выходе источника питания действует переменное напряжение Uн. Сигнал Р с выхода датчика 21 технологического параметра ρ подается на сумматоры 22-24. Благодаря тому что опорные напряжения E₁-Е₃ связаны соотношением Е₁>Е₂>Е₃ вначале действует контур регулирования выходной частоты f инвертора 19. Разность е₃ между опорным напряжением E₃ и сигналом обратной связи Р подается на вход регулятора выходной частоты источника питания (инвертора тока) 27. Характеристика регулятора выходной частоты источника питания 27 имеет ограничение по наибольшему и наименьшему значению частоты 0,9<f_н<1,1, где f_н - номинальное значение выходной частоты (соответствует разрешенному ряду частот). В момент когда частота f инвертора тока 19 выходит за нижнее (или верхнее) ограничение и дальнейшее изменение частоты f становится невозможным, сигнал обратной связи Р несколько повышается (понижается) и становится близким или равным Е₂. При этом вводится в действие регулирование скважности q регулирующего вентиля 18 регулятором скважности 26. В момент когда скважность q биполярных импульсов тока выходит за нижнее ограничение 0,5<q_м<1,0, где q_м - максимальное значение скважности, и дальнейшее изменение скважности f становится невозможным, сигнал обратной связи Р несколько повышается (понижается) и становится близким (или равным) Е₃. При этом вводится в действие регулирование угла управления α выпрямителя 17 регулятором угла 25. Амплитуда I(α) импульсов периодической последовательности при этом регулируется регулированием выпрямителя 17 в диапазоне 0,1<I_м<1,0, где I_м - максимальное значение амплитуды импульсов тока периодической последовательности квазирямоугольной формы. Таким образом, снижение номинальной мощности источника, питания электрической нагрузки 20 и ухудшение коэффициента мощности питающей сети и нагрузки 20 наступает, когда возможности регулирования частоты f инвертора тока 19 и скважности q его выходных биполярных импульсов тока периодической последовательности исчерпаны.

Необходимая точность регулирования обеспечивается использованием закона пропорционального или пропорционально-интегрального регулирования.

По сравнению с прототипом при использовании заявляемого способа питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии, расширяется область применения. Изобретение может быть использовано в электротехнологии, светотехнике, а также в преобразовательной технике при создании источников питания и систем управления озонаторов, газоразрядных ламп различных типов, электрических фильтров, систем обеззараживания и очистки воды, формовки слоев твердых материалов и пленок и других электрических нагрузок, содержащих разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии. Расширение области применения обеспечивается возможностями глубокого регулирования электрического режима нагрузки и возможностями сохранения оптимальных форм электрического разряда, стабильностью применяемых форм электрического разряда, для различных используемых технологий и энергетической эффективностью способа. Способ питания может быть применен в источниках питания и системах управления электрических нагрузок, в том числе и использующих новые разработанные технологии с озонированием в смеси газа и жидкости и синтезом активных частиц и радикалов в слоях газа и жидкости, формовки слоев твердых материалов и пленок и других электрических нагрузок, содержащих разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии.

Claims (1)

1. Способ питания электрической нагрузки, содержащей разрядный промежуток, заполненный веществом, смесью или слоями веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии, биполярными импульсами тока периодической последовательности с регулируемой частотой и скважностью, отличающийся тем, что питание электрической нагрузки осуществляется от источника питания с характеристикой источника тока, биполярные импульсы тока периодической последовательности имеют квазипрямоугольную форму с регулируемой амплитудой в диапазоне 0,1÷1,0 от максимального значения амплитуды, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются независимо, соответственно в диапазонах 0,9÷1,1 от номинального и 0,5÷1,0 от максимального значения регулируемой величины, амплитуда, частота и скважность биполярных импульсов тока периодической последовательности регулируются в функции технологического параметра по пропорциональному или пропорционально-интегральному закону.

Images